Fala, guerreiros! Continuando o nosso estudo de Termodinâmica, segue um resumo sobre Máquinas e Refrigeradores! Vamos, selva!

 

1. MÁQUINAS TÉRMICAS

Toda máquina térmica deve consistir de uma fonte quente e uma fonte fria. A fonte quente é a região onde um combustível é queimado e a energia total é produzida. A fonte fria é a região onde a energia não aproveitada pela máquina é lançada.

A energia flui espontaneamente da fonte quente para a fonte fria e passa pela máquina térmica. Observe o esquema de uma máquina térmica abaixo:

Vamos estudar o seguinte exemplo: uma fonte quente encontra-se a uma temperatura de T_Q = 1000 K. A queima do óleo nesta fonte produz Q_Q = 500 J de energia por segundo. A energia flui espontaneamente (sem gasto de energia) da fonte quente para a fonte fria (temperatura de T_F = 300 K). Uma parte da energia total é aproveitada pela máquina (W = 100 J por segundo) que movimenta um eixo.

A máquina não transforma toda a energia produzida (500 J) em trabalho. Parte desta energia (400 J por segundo) é lançado na fonte fria (Q_F) e não pode ser aproveitada.

As grandezas em uma máquina térmica são resumidas a seguir:

Q_Q – calor produzido na fonte quente.

Q_F – calor não aproveitado e lançado na fonte fria.

T_Q – temperatura da fonte quente.

T_F – temperatura da fonte fria.

W – trabalho realizado pela máquina térmica (energia efetivamente aproveitada).

Uma parte da energia térmica produzida (Q_Q) é aproveitada na forma de trabalho (W) e a outra parte é lançada fora (Q_F).

Retornando ao exemplo dado:

500 J = 100 J + 400 J

Dessa forma, para cada segundo, podemos escrever que:

Energia produzida = energia aproveitada + energia jogada fora

Utilizando as notações:

 

 

2. RENDIMENTO DE UMA MÁQUINA TÉRMICA (η)

 

O rendimento de uma máquina térmica é calculado pela fórmula abaixo.

 

 

O rendimento é sempre um número maior do que zero e menor do que 1. Para determinar a porcentagem, basta multiplicar esse valor obtido por 100.

É possível calcular o rendimento em função do calor da fonte quente (Q_Q) e da fonte fria (Q_F).

 

 

3. REFRIGERADORES

A geladeira e o ar condicionado são dois aparelhos muito importantes no nosso cotidiano. As máquinas frigoríficas ou refrigeradores são máquinas térmicas que transferem calor de uma fonte fria (congelador) para uma fonte quente (meio exterior) às custas de um trabalho externo, realizado por um compressor.

Um refrigerador está esquematizado na ilustração abaixo:

As grandezas presentes em um refrigerador são as mesmas de uma máquina térmica, porém com os seguintes atributos:

Q_Q – calor lançado na fonte quente.

Q_F – calor retirado da fonte fria.

T_Q – temperatura da fonte quente.

T_F – temperatura da fonte fria.

W – trabalho realizado pelo compressor.

 

O rendimento ou eficácia de um refrigerador é:

 

 

Obs: como o rendimento de um refrigerador é definido pela razão entre Q_F e W, o rendimento pode ser maior que 1.

4. SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

A segunda lei da Termodinâmica já foi apresentada nos tópicos anteriores. Vale ressaltar que esta lei apresenta dois enunciados diferentes, porém, equivalentes.

4.1. Primeiro enunciado

“É impossível construir uma máquina que, operando em transformações cíclicas, tenha como único efeito transformar completamente em trabalho a energia térmica recebida de uma fonte quente única”.

4.2. Segundo enunciado

“É impossível realizar um processo em que o único efeito é a transferência de calor de uma fonte para outra com maior temperatura”.

5. CICLO DE CARNOT

Sadi Carnot, físico e engenheiro militar, propôs em 1824, uma máquina teórica que funcionaria com um gás ideal que seguiria uma série de quatro transformações (duas isotérmicas e duas adiabáticas).

Esta máquina, conhecida como máquina de Carnot, possuiria o maior rendimento possível, ou seja, esta máquina seria a mais próxima da ideal, sem desrespeitar a segunda lei da Termodinâmica.

O Ciclo de Carnot está ilustrado no gráfico abaixo.

Na isoterma T_A, a máquina recebe o calor da fonte quente (Q_{Q –} Etapa AB) e na isoterma T_B, a máquina cede a energia que não é aproveitada para a fonte fria (Q_{F –} Etapa CD).

Carnot provou que a relação abaixo é válida para este ciclo, ou seja, a proporção entre energias recebida e rejeitada e as temperaturas da fonte quente (T_Q) e fria (T_F).

 

 

É possível substituir a relação acima na fórmula geral do rendimento.

A expressão abaixo calcula o rendimento da máquina de Carnot em função da temperatura das fontes quente e fria.

 

 

O rendimento η é um número entre 0 e 1.